DE19625125C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entnahme von Bodenproben - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Entnahme von BodenprobenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entnahme von
Bodenproben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine
Vorrichtung zur Entnahme von Bodenproben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Sonden zur Entnahme von Bodenproben sind bekannt. So ist
aus der DE-OS 21 44 044 eine rohrförmige Sonde bekannt, die
zur Entnahme von Bodenproben bis an den Ort der Probenahme
eingerammt wird. Die Sonde weist Sperrklappen auf, die sich
beim Einrammen der Sonde flach an die Innenwand des Rohres
anlegen. Beim Herausziehen der Sonde aus dem Boden spreizen
die Sperrklappen von der Innenwand ab und verhindern, daß
die in der Sonde enthaltene Bodensäule nach unten aus dem
Rohr herausrutscht. Hierdurch soll vor allem auch die
Probenahme aus wasserführenden Schichten ermöglicht werden.
Der Nachteil dieser Sonde besteht darin, daß die Entnahme
von ungestörten Bodenproben nicht möglich ist, da zwar das
Herausrutschen der festen Bestandteile aus der Sonde wei
testgehend verhindert wird, nicht aber das Abfließen des
Wassers.
Weiterhin ist aus der DE 24 35 884 A1 eine Vorrichtung zur
Bodenprobenahme bekannt, bei der der Probenraum einer
pneumatisch in den Boden gerammten Sonde im unteren Bereich
nach der Probenahme durch ein elastisches aufblasbares
Element verschlossen wird. Dieses Element befindet sich bis
zum Abschluß der Probenahme in einer Ringnut der Innenwand
der Sonde und weist die Form eines Toroids auf. Je nach dem
Zustand des Bodens soll das aufblasbare Element den Proben
raum völlig schließen, wenn es sich um lockere und nachgie
bige Böden handelt, oder es drückt bei relativ dichten
Böden die Säulenprobe zusammen und soll dadurch einen
Stopfen bilden, der die darüber befindliche Probe hält.
Der Nachteil besteht darin, daß auch mit dieser Vorrichtung
kein völliger Verschluß des Probenraumes möglich ist, da
es nicht vermeidbar ist, daß sich zwischen den dichtenden
Flächen körniges Material befindet. So kann auch bei dieser
Verschlußart während des Herausziehens der Sonde Flüssig
keit aus der Probe entweichen.
Aus der DE 43 28 273 C1 ist weiterhin eine Sonde zur Entnah
me von ungestörten Bodenproben bekannt, bei dem ein Proben
raum von einem kegelförmigen Verschlußstück nach unten
abgeschlossen ist, dem eine Rammschneide zugeordnet ist.
Nachdem die Sonde den Probenort erreicht hat, wird das
kegelförmige Verschlußstück entriegelt und beim weiteren
Einrammen der Sonde wird das Verschlußstück in den Proben
raum gedrückt. Das Verschlußstück befindet sich nach Beendi
gung des Einrammens oberhalb der Bodenprobe im Probenraum.
Der Probenraum ist unten nicht verschließbar sondern die
Bodenprobe soll während des Herausziehens der Sonde aus dem
Boden durch einen zwischen der Rammspitze des Verschluß
stücks und der Bodenprobe vorgesehenen Unterdruck im Proben
raum gehalten werden.
Auch diese Sonde weist den Nachteil auf, daß eine mit
Flüssigkeit getränkte Probe während des Herausziehens der
Sonde nicht im Probenraum gehalten werden kann.
Aus den US 2 915 285, 2 779 195 und 3 447 615 sind
Bohrvorrichtungen bzw. Vorrichtungen zur Entnahme von
Bodenproben bekannt, bei denen von der Erdoberfläche zum
Ort der Probenahme eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas ge
leitet wird, mit deren Hilfe die Probe zumindest teilweise
eingefroren wird. Diese Art der Kühlung ist jedoch sehr
aufwendig, da ein zusätzliches Kühlaggregat und im Falle
eines Gases zusätzlich ein Kompressor vorzusehen ist. Das
Kühlmedium muß mehrere Meter von der Erdoberfläche bis zum
Ort der Probenahme geleitet werden, wobei die Leitung
entweder gut isoliert sein muß oder eine Erwärmung des
Kältemediums eintritt. Die Leitung stellt aber in jedem
Fall einen weiteren zusätzlichen Aufwand dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, wobei mittels einer
Sonde, die einen Probenraum aufweist und in den Boden bis
zum Probenort vorgetrieben werden kann, die Entnahme einer
ungestörten Bodenprobe ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1
und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5
gelöst.
Bei einem Verfahren zur Entnahme von Bodenproben, insbeson
dere wäßriger Bodenproben, bei dem eine, einen Probenraum
aufweisende Sonde in den Boden eingeführt wird, am vorgese
henen Ort der Probenahme der Probenraum freigegeben wird
und durch weiteres Einschieben der Sonde in den Boden der
Probenraum mit der Probe beschickt wird, ist erfindungsge
mäß vorgesehen, daß die Probe am Ort der Probenahme im
Probenraum zumindest teilweise durch eine mittels Elektro
energie aktivierbare Kühlung durch ein in der Sonde ange
ordnetes thermoelektriches Element eingefroren wird. Vor
zugsweise wird der im unteren Bereich des Probenraumes
befindliche Teil der Bodenprobe eingefroren. Weiterhin
erfolgt das Einfrieren vorzugsweise unter Ausnutzung des
Peltiereffektes.
Da die Probe nur im unteren Bereich der Sonde eingefroren
wird und der größte Teil der Probe im Probenraum in seinem
ursprünglichen Zustand verbleibt, ist der Energieaufwand
gering. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, daß infolge
des Einfrierens der Probe im unteren Bereich der Sonde die
gesamte Probe im ungestörtem Zustand an die Erdoberfläche
gefördert werden kann. Bei einer wassergesättigten Probe
geht also auch keine Flüssigkeit verloren. Das ist insbeson
dere bei schadstoffhaltigen Böden von Bedeutung, da das
Wasser eine andere und unter Umständen höhere Schadstoffbe
lastung aufweisen kann, als die festen Bestandteile.
Nach Aufnahme der Probe im Probenraum wird die Kühlung durch Zufuhr von
Elektroenergie aktiviert. Nach dem Einfrieren wird die Sonde
mit der Probe aus dem Boden gezogen, wobei die Zufuhr der
Elektroenergie während dieses Vorganges und des dabei
notwendigen Zerlegens eines Gestänges für die Halterung der
Sonde aufrecht erhalten wird.
Eine Vorrichtung zur Entnahme von Bodenproben, insbesondere
wäßriger Bodenproben, mit einer in den Boden einführbaren,
vorzugsweise einrammbaren Sonde, die einen Probenraum
aufweist, der am Probenort zu öffnen ist, ist erfindungsge
mäß dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Probenraumes
mindestens ein Peltierelement für das Einfrieren zumindest
eines Teils der Bodenprobe in der Sonde angeordnet ist.
Es ist zweckmäßig, daß das Peltierelement einerseits auf
einem Kühler angeordnet ist, der den Probenraum umgibt, und
daß das Peltierelement andererseits mit einem Wärme ablei
tenden Bauteil verbunden ist, das den Kühler außen umgibt,
wobei der Kühler und das Wärme ableitende Bauteil mit
Abstand zueinander angeordnet sind. Zwischen beiden oder
zwischen dem Kühler und dem Außenrohr ist eine thermische
Isolation vorgesehen. Als solche kann bereits eine zwischen
beiden vorhandene Luftschicht dienen. In einer weiteren
Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, daß der Probenraum oberhalb
und unterhalb des Kühlers mit einem Kunststoffrohr ausge
kleidet ist. Dadurch wird die Einfrierzone vom übrigen
Bereich des Probenraumes thermisch entkoppelt.
Mit dieser Anordnung des Peltierelementes wird erreicht,
daß durch den Kühler einerseits die Probe in dessen Bereich
schnell eingefroren wird und daß durch das Wärme ableitende
Bauteil andererseits die Wärme schnell nach außen abgelei
tet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Peltier
elemente ringförmig auf einem Kühlrohr angeordnet und das
Wärme ableitende Bauteil ist ebenfalls ringförmig.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, daß ein
elektrischer Anschluß jedes Peltierelementes an Masse liegt
und daß der andere elektrische Anschluß mit mindestens
einem Kontakt verbunden ist, der im oberen Abschnitt der
Sonde vorgesehen ist, und dem ein elektrischer Schaltkon
takt zugeordnet ist, der über eine elektrische Zuleitung
mit, einer Strom- oder Spannungsquelle verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die
Peltierelemente in Reihe geschaltet sind.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung sind als Kontakte Federkontakte
vorgesehen, denen ein im wesentlichen zylindrischer Schalt
kontakt zugeordnet ist, der am Ende der elektrischen Zulei
tung vorgesehen ist und durch das Gestänge der Probensonde
einführbar ist. Es ist zweckmäßig, zwei gegenüberliegende
Federkontakte oder drei Federkontakte im gleichen Winkelab
stand anzuordnen. Die Zuleitung mit dem Schaltkontakt wird
vorzugsweise in die Probensonde eingeführt, nachdem diese
den Ort der Probenahme erreicht hat. Der Schaltkontakt
bleibt auch während des Herausziehens der Sonde aus dem
Boden zwischen den Federkontakten, d. h., daß die Energiever
sorgung während dieser Zeit weiter gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Kontaktring mit
konischer Innenkontur vorgesehen, dem ein Schaltkontakt mit
konischer und der Innenkontur des Kontaktringes angepaßter
Außenkontur zugeordnet ist. Der jeweilige Konus weist oben
einen größeren Durchmesser auf, so daß der an der Zuleitung
zur Sonde abgesenkte Schaltkontakt unter der Wirkung der
Schwerkraft im Kontaktring arretiert wird.
In der Folge sollen Ausführungsbeispiele
der Probenahmevorrichtung sowie der Verfahrensablauf anhand von
Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Sonde zur Probenah
me;
Fig. 2 einen Abschnitt der Sonde nach Fig. 2 mit einer
durch Einfrieren im Probenraum gehaltenen Probe;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Anordnung von
Peltierelementen;
Fig. 4 einen Querschnitt durch die Anordnung nach
Fig. 3;
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere
Anordnung mit Peltierelementen
Fig. 6a-6c eine Darstellung des Verfahrensablaufs.
Eine Sonde 1 für die Entnahme einer Bodenprobe 11 weist ein
Außenrohr 2 auf, an dem am unteren Ende eine Rammspitze 3
verschiebbar befestigt ist. Die verschiebbare Befestigung
erfolgt in bekannter Weise und ist nur schematisch darge
stellt. Innerhalb des Außenrohres 2 sind Peltierelemente 4
ringförmig um einen Probenraum 5 der Sonde angeordnet.
Oberhalb der Peltierelemente ist das Außenrohr 2 mit einem
Kunststoffrohr 6 ausgekleidet. Am oberen Ende der Sonde 1
ist ein Kontaktring 7 vorgesehen, dem ein Schaltkontakt 8
zugeordnet ist, der an einer elektrischen Zuleitung 9 befe
stigt ist, wie es in den Fig. 6a bis 6c noch deutlicher
dargestellt ist. In dieser Ausführungsform sind der Kontakt
ring 7 und der Schaltkontakt 8 konisch ausgebildet. Der
Schaltkontakt wird beim Einführen der Zuleitung 9 in die
Sonde 1 durch die Wirkung der Schwerkraft im Kontaktring 7
arretiert. Dieser ist über eine elektrische Leitung 10 mit
einem Kontakt der Peltierelemente verbunden. Der andere
Kontakt der Peltierelemente liegt an Masse (nicht darge
stellt). Die Sonde 1 ist mit einem Gestänge 12 (Fig. 6a bis
6c) verbunden, das in bekannter Weise aus mehreren Teilen
zusammengesetzt ist.
Anstelle des Kontaktringes 7 können auch gegenüberliegende
Kontaktfedern 7a, 7b vorgesehen sein, wie es in den Fig.
6a bis 6c dargestellt ist.
Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, sind die sechs dort
vorgesehenen Peltierelemente 4 einerseits mit einem Kühler
13 und andererseits mit je einem Wärme ableitenden Bauteil
14 verbunden. Die Fig. 3 zeigt die Anordnung der Fig. 4 in
einer perspektivischen Ansicht. Im Ausführungsbeispiel der
Fig. 5 ist anstelle der einzelnen wärmeableitenden Bauteile
14 ein Wärme ableitender Ring 15 vorgesehen. Zwischen dem
Kühler 13 einerseits und dem Außenrohr 2 mit dem Wärme ab
leitenden Bauteil 14 bzw. dem Wärme ableitenden Ring 15
andererseits ist eine thermische Isolation 16 vorgesehen,
die im einfachsten Fall eine Luftschicht sein kann.
Die Sonde wird mittels bekannter Mittel in den Boden ge
rammt, wobei die Rammspitze 3 die in den Fig. 1 und 2
strichpunktiert gezeichnete Lage aufweist. In dieser Lage
kann kein Boden in den Probenraum 5 gelangen. Nachdem der
vorgesehene Ort der Probenahme erreicht ist, wird die nicht
dargestellte Arretierung der Rammspitze 3 gelöst. Beim
weiteren Einrammen der Sonde wird die Rammspitze durch den
in den Probenraum eindringenden Boden in den oberen Bereich
des Probenraumes verschoben, wie es in den Fig. 1 und 6a
dargestellt ist.
Nachdem der Probenraum 5 mit der Bodenprobe 11 ausgefüllt
ist, wird die Zuleitung 9 durch das Gestänge 12 in die
Sonde eingeführt, wie es in der Fig. 6b dargestellt ist.
Unter der Wirkung der Schwerkraft rastet der Schaltkontakt
8 in den Kontakten ein. Dabei wird die Endlage des Schalt
kontaktes bei Verwendung von Federkontakten 7a, 7b durch
die am oberen Ende des Probenraumes anliegende Rammspitze 3
bestimmt. Nach dem Einrasten des Schaltkontaktes 8 in den
Kontaktring 7 bzw. die Federkontakte 7a, 7b wird den Peltie
relementen 4 über ein Steuergerät 17 Elektroenergie zuge
führt. Mittels der Peltierelemente wird nun am Ort der
Probenahme ein gefrosteter Bereich 18 im unteren Teil der
im Probenraum 5 befindlichen Bodenprobe 11 erzeugt.
Nach der Erzeugung des eingefrosteten Bereichs 18 kann die
Sonde 1 aus dem Boden gezogen werden, ohne daß die Bodenpro
be 11 in ihrer Zusammensetzung verändert wird. Während des
Ausbaus der Sonde und Zerlegens des Gestänges 12 in mehrere
Teile, wie es in Fig. 6c dargestellt ist, werden die Pel
tierelemente weiter mit Elektroenergie versorgt. Erst
nachdem sich die Sonde 1 an der Erdoberfläche befindet,
wird die Elektroenergie abgeschaltet.
Mit Hilfe dieses Verfahrens und der dargestellten
Vorrichtung ist es möglich, ungestörte Bodenproben zu
entnehmen, so daß die Meßergebnisse den tatsächlichen
Zustand insbesondere von wassergesättigten Böden, z. B.
bezüglich der Schadstoffbelastung, wesentlich besser wider
spiegeln als bisher.
Claims (13)
1. Verfahren zur Entnahme von Bodenproben, insbesonde
re wäßriger Bodenproben, bei dem eine, einen Proben
raum aufweisende Sonde in den Boden eingeführt
wird, am vorgesehenen Ort der Probenahme der Proben
raum freigegeben wird und durch weiteres Einschie
ben der Sonde in den Boden der Probenraum mit der
Probe beschickt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bodenprobe am Ort der Probenahme im Proben
raum zumindest teilweise durch eine mittels Elek
troenergie aktivierbare Kühlung durch ein in der
Sonde angeordnetes thermoelektrisches Element
eingefroren wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der im unteren Bereich des Probenraumes befind
liche Teil der Bodenprobe eingefroren wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Einfrieren unter Ausnutzung des
Peltiereffektes erfolgt.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung nach
Aufnahme der Probe im Probenraum durch Zufuhr von
Elektroenergie aktiviert wird, daß die Sonde nach
dem Einfrieren aus dem Boden gezogen wird, wobei
die Zufuhr der Elektroenergie während dieses Vorgan
ges und des dabei notwendigen Zerlegens eines
Gestänges für die Halterung der Sonde aufrecht
erhalten wird.
5. Vorrichtung zur Entnahme von Bodenproben, insbe
sondere wäßriger Bodenproben, mit einer in den
Boden einführbaren, vorzugsweise einrammbaren
Sonde, die einen Probenraum aufweist, der am Pro
benort zu öffnen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
im Bereich des Probenraumes (5) mindestens ein Pel
tierelement (4) für das Einfrieren zumindest eines
Teils der Bodenprobe in der Sonde angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß das Peltierelement (4) einerseits auf
einem Kühler (13) angeordnet ist, der den Proben
raum (5) umgibt, und daß das Peltierelement (4) an
dererseits mit einem Wärme ableitenden Bauteil (14,
15) verbunden ist, das den Kühler (13) außen um
gibt, wobei der Kühler (13) und das Wärme ableiten
de Bauteil (14, 15) mit Abstand zueinander angeord
net sind und zwischen diesen oder zwischen dem
Kühler (13) und dem Außenrohr (2) eine thermische
Isolation (16) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Probenraum oberhalb und unterhalb
des Kühlers (13) mit einem Kunststoffrohr (6) ausgeklei
det ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Peltiere
lemente (4) ringförmig auf einem rohrförmigen
Kühler (13) angeordnet sind und daß das Wärme ablei
tende Bauteil (15) ebenfalls rohrförmig ist.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer
Anschluß jedes Peltierelementes (4) an Masse liegt
und daß der andere elektrische Anschluß mit minde
stens einem Kontakt (7, 7a, 7b) verbunden ist, der
im oberen Abschnitt der Sonde (1) angeordnet ist,
und dem ein elektrischer Schaltkontakt (8) zugeord
net ist, der über eine elektrische Zuleitung (9) mit
einer Strom- oder Spannungsquelle verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Peltierele
mente (4) in Reihe geschaltet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß als Kontakte
Federkontakte (7a, 7b) vorgesehen sind, denen ein
im wesentlichen zylindrischer Schaltkontakt (8) zu
geordnet ist, der am Ende der elektrischen Zulei
tung (9) vorgesehen ist und durch das Gestänge (12)
der Sonde (1) einführbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß zwei gegenüberliegende Federkontakte (7a,
7b) oder drei Federkontakte im gleichen Winkelab
stand vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktring
(7) mit konischer Innenkontur vorgesehen ist, dem
ein Schaltkontakt (8) mit konischer und der Innen
kontur des Kontaktringes (7) angepaßter Außenkontur
zugeordnet ist.
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